(57)【要約】  本願は、レーザビームを誘導する噴射軸Ａに沿って広がる液体のジェットを生成する装置に関する。装置は液体のための少なくとも１つの入口１０と少なくとも１つの出口１を有し、第１の実効液体流断面積Ｓ１を有する噴射軸Ａを包囲する環形状を有する。装置は、液体のための少なくとも１つの入口１２及び１つの出口を有する加速チャンバ７と、レーザビームを加速チャンバ７に導くようにレーザビームに対して透過性であってレーザビームを通す窓３とを更に備える。窓３は、レーザビームを噴射軸Ａと同軸に導くことを可能にするように噴射軸Ａと同一線上に配置される。加速チャンバ７は、噴射軸Ａと同軸に配置される幾何学的円筒である円筒バレルの表面積によって画定される入口断面Ｓ３を有する。円筒バレルは、噴射軸Ａと加速チャンバ７の少なくとも１つの入口との間の最小距離に対応する半径を有する。ここで、円筒バレルの面積は加速チャンバ７内に位置する。液体ジェットを生成するノズルは、加速チャンバ７の出口に配置され、噴射軸Ａの方向を規定する。少なくとも１つの接続路６は、分配チャンバ５の少なくとも１つの出口１１から加速チャンバ７の少なくとも１つの入口１２まで延在する。少なくとも１つの接続路６は第１の実効液体流断面積Ｓ１よりも好ましくは一桁小さく（Ｓ２／Ｓ１＜＜１）入口断面Ｓ３よりも小さい（Ｓ２／Ｓ３＜１）第２の実効液体流断面積Ｓ２を有する。装置は、中央開口部を有する壁部材２を備え、ノズルを含むノズルホルダ４と窓３とを含む窓部材とは中央開口部内で互いに重なるように配置される。ノズルホルダ４と上記窓部材とは噴射軸に沿って互いに離隔され、これにより加速チャンバ７が画定され、接続路及び分配チャンバ５はノズルホルダ４内に形成される。【選択図】図２
2019531902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
噴射軸（Ａ）に沿って広がるように、レーザビームを誘導する液体のジェットを生成する装置であって、前記装置は、
ａ）前記液体のための少なくとも１つの入口（１０）と少なくとも１つの出口（１１）とを有する分配チャンバ（５）であって、前記分配チャンバ（５）は前記噴射軸（Ａ）を包囲する環形状を有し、前記分配チャンバ（５）は第１の実効液体流断面積Ｓ１（１５）を有する分配チャンバと、
ｂ）前記液体のための少なくとも１つの入口（１２；１２．１〜１２．７）と１つの出口（１８）と、窓を通して前記レーザビームを加速チャンバ（７）に導くように前記レーザビームに対して透過性である窓と、を有する前記加速チャンバ（７）であって、前記窓は前記レーザビームを前記噴射軸（Ａ）と同軸に導くことを可能にするように、前記噴射軸（Ａ）と同一線上に配置され、前記加速チャンバ（７）は前記噴射軸（Ａ）と同軸に配置される幾何学的円筒である円筒バレル（１７）の表面積によって画定される入口断面Ｓ３を有し、前記円筒バレル（１７）は前記噴射軸（Ａ）と前記加速チャンバ（７）の前記少なくとも１つの入口（１２；１２．１〜１２．７）との間の最小距離に対応する半径（ｒ）を有し、前記円筒バレル（１７）の前記表面積は前記加速チャンバ（７）内に位置する加速チャンバと、
ｃ）前記液体の前記ジェットを生成するノズル穴（１９）を有するノズル（８）であって、前記ノズル（８）は前記加速チャンバの前記出口（１８）に配置され、前記ノズル穴（１９）は前記噴射軸（Ａ）の方向を規定するノズルと、
ｄ）前記分配チャンバ（５）の前記少なくとも１つの出口（１１）から前記加速チャンバの前記少なくとも１つの入口（１２．１〜１２．７）まで延在する接続路（６；６．１〜６．７）であって、第２の実効液体流断面積Ｓ２（１６）を有する接続路と、
を備え、
ｅ）前記第２の実効液体流断面積Ｓ２（１６）は前記第１の実効液体流断面積Ｓ１（１５）よりも好ましくは一桁小さく、
Ｓ２／Ｓ１＜＜１
ｆ）前記第２の実効液体流断面積Ｓ２（１６）は前記入口断面Ｓ３よりも小さく、
Ｓ２／Ｓ３＜１
前記装置（１）は中央開口部を有する壁部材（３）を備え、前記ノズル（８）を含むノズルホルダ（４）と前記窓を含む窓部材（３）とは前記中央開口部内で互いに重なるように配置され、前記ノズルホルダ（４）と前記窓部材（３）とは前記噴射軸（Ａ）に沿って互いに離隔されており、前記離隔によって前記加速チャンバ（７）が規定され、前記接続路（６；６．１〜６．７）と前記分配チャンバ（５）とは前記ノズルホルダ（４）内に形成される装置。
【請求項２】
前記接続路（６；６．１〜６．７）は前記噴射軸（Ａ）に対して回転対称である請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記接続路（６．１〜６．７）はほぼ同じ形状及び寸法を有する少なくとも２つのダクトからなる請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記接続路（６）は前記噴射軸（Ａ）に対して同軸である１つの環状ダクトからなる請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記加速チャンバ（７）は円筒の形状を有し、前記円筒の半径は前記円筒の高さよりも大きく、前記高さは好ましくは１ｍｍよりも小さい請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記分配チャンバ（５）は１つの入口を有する請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記窓は前記加速チャンバ（７）の壁の少なくとも一部を形成する透明部材である請求項１から６のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、噴射軸に沿って広がる液体ジェットを生成する装置であって、その液体ジェットは、レーザビームを誘導する、装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ照射を利用する材料の加工は、材料の切断、穿孔、ミリング、溶接、マーキング、及び、一般に材料を除去する多種多様な方法において用いられている。材料の除去を開始できるようにするためには、加工される材料表面において所定の照射強度を達成する必要がある。この高照射強度は、従来、焦点においてレーザ放射線を収束させることによって達成されてきた。しかしながら、この技法の欠点は、この高強度が達成される焦点の軸方向範囲（ビーム幅）が小さいことである。この軸方向範囲は、レイリー長に関係する。深い切込み又は穴が形成される場合、焦点の位置は、高レベルの正確度で適合されるか、又は更には追跡される必要がある。ビームは、焦点に向かって円錐状に先細りになる。すなわち、特に、深い切込みの場合、表面で開始して、円錐状ビームが加工位置に到達可能であるために十分な量の材料を除去することが常に必要であった。しかしながらそうすると、深い切込み又は穴は、傾斜した側壁を有するように常に形成されることになる。
【０００３】
焦点を追跡することを必要とせずに、略垂直の側壁を有する細い切込み及び穴を形成することができるように、特許文献１、特許文献２及び特許文献３において、レーザ放射線を、加工されるワークピースに向けられた導光体としての液体ジェット中に放射することが提案されている。
【０００４】
特許文献２において、レーザ放射線は、ガラスファイバーによって供給される。このガラスファイバーの端部の周囲には、加工されるワークピースに向けられた水ジェットが流れる。この既知の装置は、水ジェットの直径が、レーザ放射線を伝達するガラスファイバーの直径よりも小さいことが決して許容されないという欠点を有する。更なる欠点が、ガラスファイバーの端部の下での死水の領域によってもたらされ、とりわけ、水ジェット流に乱流が引き起こされ、最終的にはこのジェットが複数の液滴へと即座に分解する。
【０００５】
特許文献１は、水ジェットの形状を設定するノズルブロックを伴う光学ユニットを設計することによって、これらの欠点を回避することを試みている。水ジェットの形状を設定するノズルの上流には、水保持チャンバがあり、水保持チャンバは、水入口と、レーザ放射線を収束させるフォーカスレンズであって、ノズル入口からチャンバを閉鎖するフォーカスレンズとを備える。フォーカスレンズの位置及び焦点距離は、レーザ放射線の焦点が、ノズルチャネル内部の軸方向中心に配置されるように選択される。加工の間の動作時、ノズルは、レーザ放射線によって即座に損傷を受け、結果として、放射線の形状設定がもはや完全でなくなることが判明している。
【０００６】
レーザビームを液体ジェット中に放射する方式の改善が、特許文献３において行われている。ここでは、放射されるレーザ放射線の焦点は、ノズル開口部の平面に配置され、ノズル開口部の前方の水保持チャンバが排除されている。この構成であっても、ノズルは、材料の加工のための動作時に損傷を受ける。
【０００７】
特許文献４は、特に、動作時に、液体ジェットの形状を設定するノズルブロックが損傷を受けることを回避することで、延長された稼働時間を確実にする、材料加工装置の創出を試みている。このことは、液体ジェット中に放射される放射線を、液体の形状を設定するノズルチャネルの入口平面に収束させるとともに、（液体貯留空間を備えずに）乱流なく高速で流れる液体をノズル入口に供給することによって確実にされる。ノズルチャネル開口部の縁部において、縁部を鋭利にした設計を与えることによって、乱流の発生が抑制され、大きな長さの液体ジェットが得られる。液体は、狭い円盤状の内部空間を介してノズルチャネルに供給され、ここで、２０個の供給ラインが、ノズルの噴射軸に対して径方向に星状の構成で、円盤状の内部空間に開口する。円盤状の内部空間は、液体に高い流速を与えるように低い高さを有する。円盤状の内部空間の直径は、上記供給ラインの直径よりも小さい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】欧州特許出願公開第０５１５９８３号
【特許文献２】独国特許出願公開第３６４３２８４号
【特許文献３】国際公開第９５／３２８３４号
【特許文献４】国際公開第９９／５６９０７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、冒頭で言及された技術分野に関する装置であって、液体ジェットの作用距離を増大させる、すなわち、液体が実質的に一定の直径を有する一貫した水流に維持される距離を増大させる装置を創出することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の解決策は、請求項１の特徴部によって規定される。本発明によれば、レーザビームを誘導し噴射軸に沿って広がる液体ジェットを生成する装置であって、液体のための少なくとも１つの入口と少なくとも１つの出口とを有する分配チャンバを備える。上記分配チャンバは、上記噴射軸を包囲する環形状を有し、第１の実効液体流断面積Ｓ１を有する。さらに、装置は、液体のための少なくとも１つの入口及び１つの出口を有する加速チャンバと、窓を通して上記レーザビームを上記加速チャンバに導くように上記レーザビームに対して透過性である上記窓とを備える。窓は、レーザビームを上記噴射軸と同軸に導くことを可能にするように、噴射軸と同一線上に配置される。加速チャンバは、噴射軸と同軸に配置される幾何学的円筒である円筒バレルの表面積によって画定される入口断面を有する。バレルは、噴射軸と加速チャンバの上記少なくとも１つの入口との間の最小距離に対応する半径ｒを有し、ここで、円筒バレルの上記面積は、上記加速チャンバ内に位置する。上記液体ジェットを生成するノズル穴を有するノズルは、加速チャンバの上記出口に配置される。上記ノズル穴は、噴射軸の方向を規定する。加えて、接続路が、分配チャンバの少なくとも１つの出口から加速チャンバの少なくとも１つの入口まで延在し、ここで、上記接続路は、第２の実効液体流路断面積Ｓ２を有する。第２の実効液体流断面積Ｓ２は、第１の実効液体流断面積Ｓ１よりも、好ましくは一桁小さく（Ｓ２／Ｓ１＜＜１）、第２の最大液体流断面積Ｓ２は、入口断面Ｓ３よりも小さい（Ｓ２／Ｓ３＜１）。装置は、中央開口部を有する壁部材を備え、ここで、ノズルを含むノズルホルダと、窓を含む窓部材とは、上記中央開口部内で互いに重なるように配置される。ノズルホルダと窓部材とは、噴射軸に沿って互いに離隔されており、この離隔によって加速チャンバが画定される。接続路及び分配チャンバは、ノズルホルダ内に形成される。
【００１１】
第１の実効液体流断面積よりも小さい第２の実効液体流断面積を与えることによって、上記分配チャンバから接続路を通って流れる液体の速度ベクトルは全て、軸対称の向きにあり、同じ絶対値を有する。この結果、特に液体が流れ込む第３のチャンバ内において、液体の乱流が減少する。これにより、上記第３のチャンバ内に液体の層流が生じ、この結果、液体ジェットの作用距離が増大する。容易かつ迅速に組立て及び分解することができる唯３つの部品で装置を提供することにより、装置の清掃及び保守作業並びに部品の交換が容易になる。
【００１２】
本発明に係る装置では、レーザビームは、液体ジェット中に結合される。そのため、液体ジェットは、レーザビームを内部全反射によってワークピース上に誘導するように、導光体として機能し、それにより、レーザビームの直径は、液体ジェットの全作用距離にわたって一定に維持される。これにより、明確に定義された一定の直径を有する金属、セラミック、又は半導体のような材料を切断することが可能になる。レーザビームは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ装置等の適切なハイパワーレーザ装置によって生成される。その後、レーザビームは、レンズ又はミラー等の光学要素によって液体ジェット中に方向付けられる。
【００１３】
以下本願において、液体ジェットの「作用距離」とは、液体が実質的に一定の直径を有する一貫した水流に維持される距離である。上記作用距離を過ぎると、液体ジェットは、複数の液滴に分解する傾向を有する。
【００１４】
分配チャンバは、環形状を有する。ここで、「環」という用語は、数学的文脈で使用される、すなわち、環とは、２つの同心円によって画定される領域である。さらに、分配チャンバは、例えば液体が流れることができる容積を内包するように、第３次元の範囲を有する。分配チャンバは、噴射軸と同軸であるので、上記環形状を規定する円は、噴射軸と同一の中心を有する。したがって、分配チャンバの第３次元の範囲は、噴射軸に対して平行な方向に向けられている。上記第３次元は、本願全体を通して、分配チャンバの「高さ」と称される。
【００１５】
２つの同心円の半径は、分配チャンバの全高に沿って一定であることが好ましい。これにより、噴射軸に対して垂直の法線ベクトルを有するとともに上記噴射軸が延びる平面において、分配チャンバは矩形断面を有する。したがって、３次元では、分配チャンバは、第２のより小さな直径を有する切り欠かれた回転円筒を伴う、第１の直径を有する回転円筒の形状を有する。
【００１６】
代替的には、上記分配チャンバは、上記平面において、例えば、丸形、楕円形又は多角形等の他の断面を有することができる、すなわち、上記２つの同心円の半径は、分配チャンバの高さにわたって変化する。したがって、丸形又は楕円形の断面の場合、分配チャンバの３次元形状は、トロイダル状である。
【００１７】
上記液体は、水であることが好ましい。
【００１８】
本願において、「第１の実効液体流断面積」とは、上記分配チャンバ内に延びる表面積であり、上記分配チャンバと、噴射軸の周りに略３６０度回転された第１のベクトルによって画定される回転体の表面との断面積である。ここで、上記第１のベクトルは、以下の条件を満たす。
・第１のベクトルは、分配チャンバの上記少なくとも１つの出口を通る液体流の流れ方向ベクトルに対して垂直である。
・第１のベクトルは、上記噴射軸を含む平面に延びる。
・上記第１のベクトルは、第１のベクトルの方向における、上記噴射軸を含む上記平面内での分配チャンバの断面の最大寸法に対応する大きさを有する。
【００１９】
分配チャンバの少なくとも１つの出口を通る流れ方向ベクトルは、分配チャンバと分配チャンバの少なくとも１つの出口との間の移行部において直接に上記分配チャンバの少なくとも１つの出口を通る液体の流れ方向を指している。通例、上記出口は、上記分配チャンバの壁を画定する表面に配置される。したがって、流れ方向ベクトルは、上記出口が上記壁に配置される位置における液体の流れ方向を指している。例えば、分配チャンバの少なくとも１つの出口が丸い縁部を有することで、上記分配チャンバの少なくとも１つの出口を通る液体の流れが複数の液体流れベクトルを有する場合、流れ方向ベクトルは、全ての液体流れベクトルの合計の平均とみなされる。
【００２０】
好ましい一実施形態において、分配チャンバの上記少なくとも１つの出口は、液体を、上記分配チャンバから軸方向に、すなわち噴射軸に対して平行に導く。流れ方向ベクトルは、噴射軸に対して平行であるので、上記第１のベクトルは、上記噴射軸に対して垂直である。上記第１のベクトルの大きさは、噴射軸に対して垂直な方向において上記噴射軸を含む平面内に延びる分配チャンバの最大寸法に対応する。分配チャンバは、この実施形態において、噴射軸と同心の環形状を有するので、第１のベクトルの大きさは、上記環状の分配チャンバの外半径と内半径との間の最大差分に対応する。上記第１のベクトルの回転体は、環である。
【００２１】
分配チャンバが中空の円筒の形態である場合、すなわち、環の半径が分配チャンバの高さにわたって一定である場合、第１の実効液体流断面積は、中空の円筒の底面積に等しい。
【００２２】
別の実施形態において、分配チャンバの上記少なくとも１つの出口は、液体を分配チャンバから径方向に、すなわち上記噴射軸に対して垂直に導く。したがって、流れ方向ベクトルは、噴射軸に対して垂直であるので、上記第１のベクトルは、上記噴射軸に対して平行である。上記第１のベクトルの大きさは、噴射軸に対して平行な方向において上記噴射軸を含む平面内に延びる分配チャンバの最大寸法に対応する。したがって、第１のベクトルの大きさは、分配チャンバの最大高さに対応する。上記第１のベクトルの回転体は、上記分配チャンバ内に延びる円筒バレルである。この実施形態において、第１の実効液体流断面積は、円筒バレルの表面に等しい。上記円筒バレルは、可能な限り最小の半径を有する、すなわち、円筒バレルの半径は、第１のベクトルの径方向位置において与えられる。
【００２３】
更なる一実施形態において、分配チャンバの少なくとも１つの出口は、上記噴射軸に対して或る角度に配置することができる。この場合、回転体は、上記分配チャンバ内に延びる円錐台である。この場合、第１の実効液体流断面積は、上記円錐台の表面に等しい。
【００２４】
分配チャンバの全ての出口は、噴射軸の周りで互いに回転対称であることが好ましい。この場合、上記出口のうちの１つの出口を通る液体流の流れ方向ベクトルから得られる回転体は、分配チャンバの更なる出口のうちのいずれの他の出口の流れ方向ベクトルから得られる回転体にも等しい。したがって、第１の実効液体流断面積は、分配チャンバの出口のうちのいずれの出口に基づいても特定することができる。
【００２５】
「回転対称」とは、本明細書の理解では、上記出口のうちのいずれか２つが、噴射軸の周りに部分回転されると互いに合同であるような、分配チャンバの出口の構成である。出口は、規則的なパターンで構成される、すなわち、いずれの出口も、噴射軸の周りに画定されるように部分回転されると、隣接する出口と合同であることが好ましい。
【００２６】
分配チャンバは、第１のベクトルの方向における最大寸法が、分配チャンバの少なくとも１つの出口に可能な限り近いような形状であることが好ましい。これにより、加速チャンバにおける乱流の非常に効果的な減少が確実になる。
【００２７】
好ましい一実施形態において、分配チャンバの上記少なくとも１つの出口は、上記分配チャンバの表面における単一の環状スロットとして構成され、上記環状スロットは、噴射軸の周囲３６０度に延在する。代替的な一実施形態において、分配チャンバは、円又は扇形、好ましくは半円の形態の多数の出口を有し、これらの出口は、上記分配チャンバの同じ表面に配置される。分配チャンバの上記多数の出口は全て、上記噴射軸の周りに円状に、好ましくは回転対称に配置されることが好ましい。分配チャンバの多数の出口の各出口は、隣接する出口から或る規定の距離だけ離隔される、すなわち、分配チャンバの各出口は、隣接する出口に対して、噴射軸に対する或る規定の角度で配置されることが好ましい。１つの実施形態において、分配チャンバの多数の出口は、周縁部が互いに接するほど互いに近く配置することができる。
【００２８】
加速チャンバは、円盤形状を有することが好ましい。窓は、円盤の基底部のうちの一方に配置されることが好ましく、加速チャンバの少なくとも１つの入口は、上記円盤形状の径方向位置において、円盤形状の基底部又は円盤形状の側面のうちのいずれか一方に配置される。窓は、使用されるレーザビームに対して透過性であるとともに、上記加速チャンバ内部の液体圧力に耐久可能な任意の好適な材料で作成される。少なくとも１つの窓は、この窓を通して、レーザビームを上記噴射軸に沿って上記加速チャンバ内に導くことができるように、噴射軸が上記窓を通過するように配置される。
【００２９】
加速チャンバは、噴射軸と同軸である、すなわち、円盤状の加速チャンバの中心は、上記噴射軸上に配置されることが好ましい。
【００３０】
噴射軸が鉛直であるように位置合わせされている場合、上記加速チャンバは、噴射軸に沿って上記分配チャンバとは異なる位置に、例えば、上記分配チャンバの上方又は下方に配置されることが好ましい。本願において、「鉛直」という用語は、地球の重力の方向に対して平行な空間における方向を定義する。この構成により、両方のチャンバが互いに並ぶのではなく互いに重なるように配置されるので、横方向の空間を節減することができる。
【００３１】
代替的には、上記分配チャンバと上記加速チャンバとは、互いに同軸である、すなわち、加速チャンバは、分配チャンバの環形状の中心の内側に配置される。
【００３２】
加速チャンバは、噴射軸と同軸に配置される幾何学的円筒である円筒バレルの表面積によって画定される入口断面Ｓ３を有する。幾何学的円筒の半径は、噴射軸と、上記噴射軸を含む平面において上記噴射軸に最も近く配置されている加速チャンバの少なくとも１つの入口との間の距離に等しい。原則的に、円筒バレルは、２πｒｈに相当する表面積を有する。ここで、ｒは、噴射軸と、この噴射軸に最も近い加速チャンバの入口との間の距離であり、ｈは、噴射軸に対して平行な方向における加速チャンバの寸法、すなわち、円盤状の加速チャンバの円盤の高さである。
【００３３】
加速チャンバの出口は、上記噴射軸に対して同軸に配置される。したがって、円盤状の加速チャンバの場合、上記出口も、円盤形状の基底部の中心と同軸である。
【００３４】
液体は、上記加速チャンバの少なくとも１つの入口を通って上記加速チャンバに流れ込み、上記加速チャンバの出口まで流れる。噴射軸までの距離が減少するのに応じて、液体流が占め得る容積が出口に向かって減少するにつれて、上記液体流の速度は増大する。したがって、液体は、加速チャンバ内で出口に向かって加速される。
【００３５】
加速チャンバは、異なる形状を有してもよいが、円盤形状が最も好ましい。なぜなら、この形状であることによって、液体流の乱流が最も小さい状態で最高の加速がもたらされるからである。したがって、良好な加速性能と、加速チャンバ内での液体の層流の不可欠な維持とを結び付けることができる。
【００３６】
円盤状の加速チャンバは、入口として１つの環状スロットを有することが好ましく、上記環状スロットは、円盤の基底部又は円盤の側面のいずれかに配置される。代替的には、上記加速チャンバの上記少なくとも１つの入口は、好ましくは円又は扇形の形態の、多数の開口部として構成することができる。
【００３７】
ノズルは、加速チャンバの出口内に配置される。したがって、上記出口を通過する液体は、上記ノズルに流れる。ノズルは、ノズル穴を有し、ノズル穴は、丸形であることが好ましい。液体は、上記ノズル穴を通って流れ、上記加速チャンバを出ることができる。上記ノズル穴は、液体ジェットを生成し、したがって、噴射軸の向きを規定する。そのため、上記ノズル穴は、加速チャンバの上記出口よりも直径が小さい。
【００３８】
分配チャンバの少なくとも１つの出口と、加速チャンバの少なくとも１つの入口との間には、接続路が配置される。分配チャンバの出口の数は、加速チャンバの入口の数に合致することが好ましい。この場合、接続路は、分配チャンバの各出口と、加速チャンバの各入口との間に配置される。
【００３９】
第２の実効液体流断面積とは、流れ方向に対して垂直な断面が最も小さい位置における、上記接続路を通る液体の流れ方向に対して垂直な方向に上記接続路と交差する平面の表面積である。したがって、第２の実効液体流断面積とは、上記接続路内での液体の流れ方向に対して垂直の最小面積である。装置が２つ以上の接続路を有する場合、上記第２の実効液体流断面積は、それぞれの位置における、各接続路を通る液体の流れ方向に対して垂直の全ての断面積の合計である。ここで、上記断面積は、各接続路に関して最小である。
【００４０】
以下本願において、「一桁」とは、１０分の１と理解される。例えば、好ましい一実施形態において、第２の実効液体流断面積は、第１の実効液体流断面積の少なくとも１０分の１の大きさである。上記第２の実効液体流断面積は、上記第１の実効液体流断面積の２０分の１の大きさであることがより好ましい。
【００４１】
第１の実効液体流断面積よりも特に一桁小さい第２の実効液体流断面積を選択することで、接続路内での液体の速度ベクトルが円筒対称性を満たすとともに同じノルム値を有し、それにより、加速チャンバ内で乱流が低減された層流が促進される。第２の実効液体流断面積が入口断面よりも小さいことで、略乱流のない層流が上記加速チャンバ内で達成される。したがって、これにより、従来技術のノズル構成と比較して、液体ジェットの作用距離が増大する。
【００４２】
装置は、中央開口部を有する１つの壁部材を有することが好ましく、ここで、ノズルを含むノズルホルダと、窓を含む窓部材とは、上記中央開口部内で上記噴射軸に沿って互いに重なるうように配置される。ノズルホルダと窓部材とは、互いに離隔されており、この離隔によって上記加速チャンバの高さが画定される。接続路と分配チャンバとは、ノズルホルダ内に形成される。
【００４３】
特に好ましい一実施形態において、上記分配チャンバと上記加速チャンバとは、噴射軸に沿って互いに離隔して配置され、少なくとも１つの接続チャネルは、上記噴射軸に対して平行に配置される。それにより、分配チャンバの断面は、噴射軸に対して平行かつ上記噴射軸を含む平面において、矩形である。この構成において、第１の実効液体流断面積は、噴射軸に対して平行な法線を有する環によって画定される。少なくとも１つの接続チャネルは、一定の断面を有することが好ましい。したがって、第２の実効液体流断面積は、上記少なくとも１つの接続チャネルを含む上記噴射軸に対して平行な法線を有する平面の断面積に等しい。
【００４４】
接続路は、噴射軸に対して回転対称であることが好ましい。
【００４５】
接続路は、噴射軸に対して同軸である１つの環状ダクトからなることが好ましい。この場合、上記分配チャンバは、環状スロットの形態の単一の出口を有し、上記加速チャンバは、環状スロットの形態の単一の入口を有する。上記環状スロットと、分配チャンバの上記出口と、加速チャンバの上記入口とは、実質的に同じ半径を有し、上記噴射軸に対して平行に位置合わせされることが好ましい。
【００４６】
加速チャンバは、高さよりも大きい半径を有する円筒の形状であることが好ましく、ここで、上記高さは、１ｍｍよりも小さいことが好ましい。加速チャンバのこのような構成は、上記加速チャンバの出口に向かう液体、及びひいてはノズルに向かう液体が最大限に加速されることを確実にする。
【００４７】
代替的には、接続路は、実質的に同じ形状及び寸法を有する少なくとも２つのダクトからなる。実質的に同じ形状及び寸法を有するダクトを設けることにより、これらの少なくとも２つのダクトを通過する液体の速度ベクトルが、同じノルム値を有することが確実にされる。これにより、加速チャンバに流れ込む液体が均一な速度を有するので、加速チャンバ内での乱流の発生が減少する。
【００４８】
分配チャンバは、１つの入口を有することが好ましい。分配チャンバの上記液体のための少なくとも１つの入口は、上記分配チャンバの表面における接線上の位置に配置されることが好ましく、ここで、液体は、概ね上記噴射軸に向かう方向において、分配チャンバの上記少なくとも１つの入口を通って分配チャンバに放出される。
【００４９】
代替的には、分配チャンバは、分配チャンバの２つ以上の入口、例えば、分配チャンバの２つ、３つ、４つ、又はそれ以上の入口を有することができる。分配チャンバの少なくとも１つの入口は、液体を規定の液体流量及び／又は規定の圧力で上記分配チャンバに供給することを可能にする液体供給部に結合されることが好ましい。
【００５０】
しかしながら、分配チャンバに唯１つの入口を設けるのであれば、液体供給部に対する唯１つの液体供給チューブ又は接続チューブを分配チャンバと接続するだけでよいため、装置の複雑性が低減する。
【００５１】
窓は、加速チャンバの壁の少なくとも一部を形成する透明部材であることが好ましい。これにより、加速チャンバの単純な全体構成がもたらされる。
【００５２】
他の有利な実施形態及び特徴の組合せは、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲の全体から認識される。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明に係る装置の第１の実施形態の断面図である。
【図２】図１に示されている装置の一部分の詳細図である。
【図３】図１に係る実施形態の第１の実効液体流断面積の３次元概略図である。
【図４】本発明の装置の代替的な一実施形態の断面の詳細図である。
【図５】装置の代替的な一実施形態の断面図である。
【図６】装置の別の代替的な実施形態の断面図である。
【図７】多数の接続路を有する装置の代替的な一実施形態の断面図である。
【図８】図７に示されている装置の一部分の詳細図である。
【図９】図７に係る実施形態の第１の実効液体流断面積の３次元概略図である。
【図１０】加速チャンバの入口断面積Ｓ３の３次元概略図である。
【図１１】単一の接続路を含む、上記噴射軸に対して垂直な平面における、図１に示されている装置の一実施形態の断面Ｂ−Ｂを示す図である。
【図１２】多数の半円形接続路を含む、上記噴射軸に対して垂直な平面における、装置の代替的な一実施形態の断面図である。
【図１３】多数の円形接続路を含む、上記噴射軸に対して垂直な平面における、装置の代替的な一実施形態の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
図面において、同じ構成要素は、同じ参照符号で示されている。
【００５５】
図１は、本発明に係る液体ジェットを生成する装置１の第１の実施形態の断面図を示している。装置１は、中央開口部を有する壁部材２を備える。上記中央開口部の内側には、窓部材３及びノズルホルダ４が配置される。図示の実施形態において、壁部材２は、比較的小さな半径を有する完全な円筒の切欠き部を伴う、完全な円筒の形状である。したがって、窓部材３及びノズルホルダ４は、壁部材２の中央開口部の内側に取り付けることができる円筒の形態である。
【００５６】
ノズルホルダ４は、加速チャンバ７の出口１８を有する。この出口１８内には、ノズル８が配置される。ノズル８は、噴射軸Ａに沿って広がる液体ジェットを生成するノズル穴１９を有する。したがって、噴射軸Ａは、液体ジェットの中心を示す。ノズル穴１９は、略丸形の断面を有する液体ジェットをもたらす丸形の形状を有することに留意されたい。窓部材３は、レーザビーム（図示せず）が噴射軸Ａに沿ってこの窓部材３を通過する（正：pass through）ことができるように、レーザ放射線に対して透過性である材料で作成される。レーザビームは、レーザ装置によって生成され、当該技術分野で既知の光学要素によって、上記窓部材３に向かって誘導されるとともに噴射軸Ａと整合される。
【００５７】
装置１は、液体供給接続部９を更に備え、装置は、この液体供給接続部９を用いて、ポンプ、ダクト等のような液体供給ユニットに接続することができる。上記液体供給接続部９によって、液体を所定の圧力及び／又は所定の流量で装置に供給することができる。図示の実施形態において、液体供給接続部は、上記壁部材２に配置される。
【００５８】
液体供給接続部９は、分配チャンバ５と開放連通状態にある。分配チャンバ５は、噴射軸Ａの周りに延在する環の形態である。図示の実施形態において、分配チャンバ５は、上記噴射軸Ａを含む平面において矩形断面を有する。図では、この平面は、紙面に対応する。分配チャンバ５は、液体供給接続部９を通して装置に供給される液体を、噴射軸Ａの周りに対称的に分配する役割を果たす。
【００５９】
さらに、装置１は、上記窓部材３と、ノズル８を含む上記ノズルホルダ４との間に配置される加速チャンバ７を備える。加速チャンバ７は、円盤形状を有するとともに、上記噴射軸Ａの周りに延在する。液体は、上記分配チャンバ５から、図示の実施形態では上記噴射軸Ａの周りに延在する環状スロットとして構成される接続チャネル６を通って、上記加速チャンバ７に流れ込む。
【００６０】
さらに、ノズルホルダ４は、上記液体ジェットの広がり方向において、上記ノズル８の下方に円錐開口部２０を有する。この円錐開口部２０により、装置が発生させる乱流を伴わずに、液体ジェットが上記装置１から広がることが可能になる。
【００６１】
分配チャンバ５及び接続路６は、ノズルホルダ４内に形成される。
【００６２】
図２は、図１に係る装置１の一部分の詳細図である。この部分は、図１において点線の矩形で示されている。この詳細図において、液体供給接続部９は、入口１０によって分配チャンバ５に接することを見て取ることができる。さらに、上記分配チャンバ５は、この分配チャンバ５を接続路６と開放接続する出口１１を有する。上記接続路６は、入口１２によって加速チャンバ７に接する。
【００６３】
分配チャンバ５は、第１のベクトル１４によって画定される回転体１５（図３を参照）の表面に等しい第１の実効液体流断面積Ｓ１を有する。上記第１のベクトル１４は、分配チャンバ５の上記出口１１を通る液体の流れ方向ベクトル１３に対して垂直であり、上記噴射軸Ａを含む平面に広がる。第１のベクトルは、第１のベクトル１４の方向における分配チャンバ５の断面の最大寸法に対応する大きさを有する。分配チャンバ５が上記第１のベクトル１４の向きを規定する平面において矩形断面を有するので、上記第１のベクトル１４の大きさを規定するのに使用される寸法は、上記平面内のいかなる位置においても同一である。
【００６４】
接続路６は、第２の実効液体流断面積Ｓ２を有し、この第２の実効液体流断面積Ｓ２は、平面内での上記接続チャネル６の断面が最も小さい位置における、上記接続路６内の液体の流れ方向ベクトル１３に対して平行な法線ベクトルを有する平面と、上記接続チャネル６との間の交差表面に対応する。すなわち、第２の実効液体流断面積Ｓ２は、上記接続路６内の液体の流れ方向に対して垂直の最小面積に対応する。
【００６５】
加速チャンバ７は、噴射軸Ａと同軸に配置される幾何学的円筒である円筒バレル１７の表面積によって画定される実効入口断面Ｓ３を有する。円筒バレル１７は、噴射軸Ａと加速チャンバ７の入口１２との間の最小距離に対応する半径ｒを有する。円筒バレルの上記面積は、上記加速チャンバ７内に位置する。上記円筒バレル１７の概略図は、図１０に示されている。
【００６６】
図３は、図１に示されている装置の実施形態の第１の実効液体流断面積Ｓ１の３次元概略図である。この図では、分配チャンバ５の環形状を明確に見て取ることができる。分配チャンバの出口１１は、上記環状の分配チャンバ５の外半径の周りに配置される環状スロットの形状である。この実施形態において、上記分配チャンバ５の出口１１を通る流れ方向ベクトル１３は、噴射軸Ａに対して平行である。第１のベクトル１４は、上記噴射軸Ａを含む平面Ｆ内で、上記流れ方向ベクトル１３に対して垂直に延びる。第１のベクトル１４の大きさは、上記平面Ｆ内での分配チャンバ１５の最大寸法に対応する。第１の実効液体流断面積Ｓ１は、噴射軸Ａの周りでの上記第１のベクトル１４の完全回転によって得られる回転体１５の表面積によって得られる。図示の実施形態において、回転体１５は、分配チャンバ５の底面と同じ表面積を有する環である。
【００６７】
図４は、本発明に係る装置１の代替的な一実施形態の詳細図である。図１に示されている実施形態と比較して、分配チャンバ５の断面は、平面Ｆ内に延びる断面において多角形の形状を有する。図４に示されているように、第１のベクトル１４の大きさは、この第１のベクトル１４の方向における上記平面内での分配チャンバ５の最大寸法に等しい。流れ方向ベクトル１３が噴射軸Ａに対して平行であるので、得られる回転体１５は、図３に示されている実施形態と同様に環である。
【００６８】
図５は、装置１の代替的な一実施形態の断面図を示している。この実施形態は、壁部材２における分配チャンバ５の構成を除き、図１に示されている実施形態と略同一である。接続路６が上記ノズルホルダ４内に配置されるのと同様に、分配チャンバ５もまた、ノズルホルダ４内に少なくとも接続路６の直径に対応する範囲まで延在する。
【００６９】
図６は、装置１の更に別の代替的な実施形態を示している。この実施形態において、分配チャンバ５及び接続路６の両方が、上記窓部材３内に配置される。
【００７０】
図７は、装置１の別の代替的な実施形態を示している。この実施形態では、上記分配チャンバ５と上記加速チャンバ７との間に、多数の接続路６．１〜６．７が配置されている（図の観点上、そのうちの２つのみの接続路６．１、６．７が示されている）。その結果、加速チャンバ７は、多数の入口１２．１〜１２．７を有する。本質的に、接続路６．１〜６．７は、上記分配チャンバ５と上記加速チャンバ７との間でスポーク状の形態に配置される。分配チャンバ５と、接続路６．１〜６．７と、加速チャンバ７とは全て、噴射軸Ａの周りで略同じ高さに配置される。このことは、第１の実効液体流断面積Ｓ１の向きに影響を与えるが、これについては、図８及び図９に関連してより詳細に説明される。さらに、この実施形態において、第２の実効断面積Ｓ２は、それぞれの位置において各接続路６．１〜６．７を通る液体の流れ方向に対して垂直な全ての断面積１６の合計であることに留意する必要がある。ここで、上記断面積は、各接続路６．１〜６．７に関して最小である。
【００７１】
図８は、図７に係る装置１の一部分の詳細図を示している。この部分は、図７において点線の矩形で示されている。図１に示されている実施形態と比較して、分配チャンバ５の出口１１．１〜１１．７を通る流れ方向ベクトル１３は、平面Ｆ上に延び、噴射軸Ａに対して垂直である。例として、１つの出口１１．７の状況が示されている。流れ方向ベクトル１３が噴射軸Ａに対して垂直であるので、第１のベクトル１４は、上記噴射軸Ａに対して平行である。
【００７２】
図９に示されているように、得られる回転体１５は、図１に示されている実施形態の場合に得られる回転体１５のような環ではなく、回転体１５は、円筒バレルである。円筒の高さは、第１のベクトル１４の方向における平面Ｆ内での分配チャンバ５の断面の最大寸法によって決まり、円筒の半径は、第１のベクトル１４の径方向位置によって決まる。図示の実施形態において、分配チャンバ５は、上記平面Ｆにおいて矩形断面を有する、すなわち、第１のベクトル１４の方向における分配チャンバ５の寸法は、平面全体に沿って一定である。この場合、回転体１５は、噴射軸Ａと第１のベクトル１４との間の最小半径に等しい回転半径によって得られる。
【００７３】
図９において、流れ方向ベクトル１３は、上記噴射軸Ａに向かう分配チャンバ５の出口１１．１〜１１．６及びそれに応じて噴射軸Ａに対して平行に配される第１のベクトル１４に対して垂直である。第１の実効液体流断面積Ｓ１に等しい回転体１５の表面積は、この図ではストライプによって強調されている。
【００７４】
図１０は、加速チャンバ７の入口断面Ｓ３の概略的な３次元図を示している。加速チャンバ７は、円筒バレル１７と一致するとともに円筒バレル１７によって画定される。円筒バレル１７は、上記加速チャンバ７内で上記噴射軸Ａに対して同軸に配置される。上記円筒バレルの半径ｒは、上記噴射軸Ａと上記加速チャンバ７の入口１２との間の最小距離によって画定される。図示の実施形態において、加速チャンバ７の入口１２は、環状スロットとして構成される。したがって、加速チャンバ７の入口１２と噴射軸Ａとの間の最小距離は、上記環状スロットの内半径に等しい。円筒バレル１７の表面積、したがって入口断面Ｓ３は、２πｒｈとして計算することができ、ここで、ｈは、加速チャンバの高さ、すなわち噴射軸Ａに沿った加速チャンバの寸法である。
【００７５】
図１１は、図１に示されている装置１の一実施形態の、上記噴射軸Ａに対して垂直な平面Ｂ−Ｂにおける断面図である。見て取ることができるように、第２の断面積Ｓ２又は接続路６は、環形状を有する。さらに、この図では、ノズル８及び加速チャンバ７の出口１８の配置を確認することができる。ノズル８は、上記噴射軸Ａと同軸のノズル穴１９を有することに留意されたい。
【００７６】
図１２及び図１３は、複数の接続路６と、ひいては複数の入口１２（図１２及び図１３には図示せず）とを有する、本発明の装置１の代替的な実施形態を示している。図１２に示されている実施形態において、接続路６は、半円形状を有する。図１３に示されている実施形態において、接続路６は、円形状を有する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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